Perché gli aerei supersonici hanno le ali a freccia?

Quando un aereo si avvicina alla velocità del suono, l'aria sopra la parte più spessa dell'ala accelera oltre Mach 1, anche se l'aereo stesso vola ancora in regime subsonico. Si formano onde d'urto, lo strato limite si separa dietro di esse, e la resistenza aumenta bruscamente: è l'aumento di resistenza transonico, che in un'ala dritta e spessa compare a partire da circa Mach 0,75. Sopra Mach 1 si aggiunge un secondo carico, la resistenza d'onda — l'energia dissipata dalle onde d'urto che accompagnano tutta la cellula dell'aereo.

La freccia funziona perché, per il campo di pressione sopra il profilo alare, conta solo la componente del flusso d'aria perpendicolare al bordo d'attacco. Il flusso parallelo al bordo d'attacco scivola semplicemente lungo l'apertura alare e non produce alcun effetto aerodinamico. Un'ala a freccia di 45 gradi si comporta quindi a Mach 0,9 come se il flusso d'aria fosse a circa Mach 0,64, e il suo numero di Mach critico aumenta di conseguenza. Questo fu compreso in Germania negli anni '30 grazie ai lavori di Adolf Busemann e Albert Betz, e i risultati di ricerca catturati influenzarono l'F-86, il B-47 e, da allora, ogni aereo di linea a getto.

A velocità supersonica, la stessa idea assume un'altra forma. Il muso genera un cono di Mach, il cui semiangolo di apertura diminuisce con l'aumentare della velocità. Se il bordo d'attacco dell'ala si trova all'interno di questo cono, l'aria che incontra è, nella direzione rilevante, ancora in regime subsonico, il bordo d'attacco può essere arrotondato, e la resistenza d'onda rimane moderata. Per questo l'ala a delta ogivale del Concorde era così fortemente a freccia alla radice, e per questo i caccia Mach 2 usano ali a delta o angoli di freccia superiori a 50 gradi. Profili sottili e una distribuzione uniforme dell'area della sezione trasversale, la regola dell'area, riducono ulteriormente la resistenza d'onda.

Un'ala a freccia genera meno portanza a basse velocità, perde portanza prima alle estremità, il che fa alzare il muso, ed è più pesante e flessibile per la stessa apertura alare. Le velocità di atterraggio aumentano, e il comportamento di volo a basse velocità peggiora. I progettisti rispondono con flap al bordo d'attacco, flap complessi o la freccia variabile stessa: F-111, F-14, Tornado e B-1 ruotano le ali in avanti per decollo e atterraggio e all'indietro per il volo veloce. Il compromesso è sempre lo stesso: la freccia compra velocità al prezzo delle prestazioni di volo a basse velocità.

Alcuni tipi supersonici, in particolare l'F-104 e prima di esso il Bell X-1, usarono invece ali dritte molto sottili. Un'ala sufficientemente sottile mantiene la resistenza d'onda sotto controllo anche senza freccia, al prezzo di una scarsa portanza a basse velocità e bordi d'attacco affilati come lame. I progetti moderni combinano entrambe le soluzioni: freccia moderata, profili sottili e un'attenta progettazione secondo la regola dell'area, adattati alla gamma di velocità che l'aereo utilizzerà effettivamente.